El módulo virtual de proceso de calandrado muestra los conceptos básicos del proceso de calandrado, sus ventajas y desventajas frente a otros procesos de fabricación de láminas y películas, y los parámetros a controlar para lograr las propiedades finales en el artículo que a través de esta técnica se están produciendo.
Tanto las láminas como las películas son formas (plásticas en cuanto a nuestro tema respecta), continuas y de pequeño espesor. Pueden almacenarse enrolladas en un eje central o cortadas en piezas individuales.
Las películas plásticas, en general, varían en espesor desde .00025″ (.06mm) hasta .010″ (.25mm) y nunca superan las 0.020” (.50mm). Comúnmente se almacenan en forma de rollos. Las láminas plásticas, en contraste, presentan un espesor superior a .010” (.25mm). Aunque pueden almacenarse en rollos, en su mayoría se almacenan como piezas individuales.
Ambas pueden fabricarse a partir de resinas tipo suspensión o de pasta. Los procesos para trabajar resinas de suspensión generan productos rígidos o flexibles, mientras que aquellos que usan resinas de pasta producen solo artículos flexibles. Una excepción es la fabricación de películas rígidas calandradas a partir del proceso Luvitherm (calandrado de baja temperatura) que usa resinas de pasta.
El siguiente esquema evidencia los procesos de fabricación de láminas y películas:
Las láminas y las películas se producen en varios espesores mediante extrusión convencional usando un dado cuya abertura tiene la forma de una rendija delgada. La rendija puede tener hasta 3 m de ancho con una apertura cercana a 0.04 mm.
El dado incluye un conducto distribuidor que extiende la corriente de polímero fundido lateralmente, antes de que fluya a través de la rendija (apertura delgada). Una dificultad del método de extrusión es la uniformidad del espesor a lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta la fusión de polímero durante su paso a través del dado y a las variaciones de la temperatura y de la presión en el mismo.
Generalmente, los bordes de la película deben recortarse debido a que su espesor es más grande. Para ayudar a compensar estas variaciones. Los dados incluyen labios ajustables que permiten alterar la apertura de la rendija o boquilla.
Para alcanzar altas velocidades de producción es necesario incorporar al proceso de extrusión, métodos eficientes de enfriamiento y recolección de la película; esto se logra contactando el extruido con un baño de temple con agua o sobre rodillos refrigerados. Este proceso ofrece una mejor eficiencia de enfriamiento de la película, lo que permite velocidades de línea de producción más altas con propiedades ópticas superiores del producto, distribución de espesor más uniforme en la dirección transversal de la máquina (tan bajo como ± 1,5%). Las películas calandradas son más fáciles de termo-formar. Los bordes de la película se recortan (y se reciclan). El polímero fundido viaja a través de un sistema de matriz plana para adoptar su forma final de película plana. El sistema de alimentación gravimétrico reduce la tolerancia a errores en el orden de ± 0,5%.
El método de los rodillos refrigerados parece ser el más importante comercialmente. Las bajas temperaturas de los rodillos provocan el rápido enfriamiento y solidificación en el extruido. De hecho, el extrusor sirve como un dispositivo de alimentación de los rodillos refrigerantes, pero éstos son los que realmente forman la película El proceso es notable por sus altas velocidades de producción de hasta 5 m/s. Además, pueden lograrse tolerancias muy pequeñas en el espesor de la película: de 3-5% ó menos de 1.5% si el sistema se automatiza. Debido al método de enfriamiento usado en este proceso se le conoce como extrusión con rodillos refrigerantes.
La siguiente figura esquematiza una línea de extrusión de lámina típica:
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Es la encargada de plastificar las materias primas plásticas dejándolas en el punto justo para ser transformadas. Los materiales son desgasificados, compactados, calentados, homogenizados y fundidos por las extrusoras (típicamente de 3½” (90 mm) a 6” (150 mm) de diámetro con relaciones L / D de 26: 1 a 30: 1 con control de tornillo de rpm preciso, ± 1%), filtrado y alimentado al sistema de matriz plana.
El material plastificado pasa a través de un sistema de mallas metálicas a fin de eliminar contaminantes sólidos que pudieran contener la materia prima. El sistema de filtrado puede formar parte de la extrusora o constituir una unidad aparte colocada al final de esta.
El cabezal o dado plano es considerado la pieza más importante
de la línea de
extrusión de lámina plana, ya que tiene la función de tomar el
flujo de materiales
plastificados provenientes de la extrusora, y formar la lámina,
dando las
principales características al material formado tales como el
ancho, rango de
espesores, uniformidad en el perfil del producto, homogeneidad
en la distribución
del material plastificado, y otras más.
Si el cabezal o dado no es eficiente en la formación efectiva
del producto, es casi
imposible luego corregir las deficiencias originadas en este
cabezal. Después de
salir de la matriz, la cortina fundida ingresa a la unidad de
enfriamiento donde su
temperatura se reduce con un rodillo de enfriamiento enfriado
por agua (un rodillo
de enfriamiento primario, un rodillo secundario, un sistema de
posicionamiento de
rodillo motorizado para una correcta alineación vertical y
transversal de la máquina
de los rodillos, y en muchos casos una caja de vacío y / o una
cuchilla de aire)
para “congelar” la película. La película se recorta, se aplica
un tratamiento corona
(si se requiere impresión o recubrimiento) y la película se
enrolla en rollos.
Cuando el labio flexible de la matriz se controla manualmente y
el proceso de
producción está bien ajustado, las variaciones de espesor de la
película estarán en
el rango de ± 3 a ± 5% (la mitad en sistemas automatizados).
La figura muestra un dado con control de espesor en varias secciones mediante ajuste de labio.
La lámina o película termina de formarse en cuanto a su acabado
superficial y de
cuerpo finales en la calandra. La calandra es un conjunto de
varios rodillos
atemperados. Dependiendo del tipo de proceso y material estos
rodillos pueden formar
figuras en su disposición, por ejemplo, pueden estar dispuestos
en forma vertical,
horizontal, inclinada, formando una L.
La lámina plana pasa en los espacios entre los rodillos y
apoyándose sobre las
superficies de éstos para lograr una formación final de las
superficies al mismo
tiempo que dicho producto termina de enfriarse para también
obtener las
características dimensionales finales.
Luego de la calandra la lámina ya formada es llevada a una especie de jaula donde por un lapso corto de tiempo (mientras sigue circulando hacia el final del proceso) termina de estabilizarse tanto molecular como superficialmente.
Un sistema de rodillos motorizados llamado tren de tiro arrastra el material producido en forma sincronizada a medida que va saliendo de la calandra para ser llevado a las etapas finales del proceso.
Fuente: assets.isu.pub
Habitualmente se utilizan cuchillas para cortar los bordes de la lámina formada ya que éstos salen desparejos al momento de la formación de la lámina el material estaba en estado de plastificación o “fundido” con lo cual es normal que los bordes no sean parejos del todo. A la vez, es necesario darle el ancho final al material. Las cuchillas accionan sobre ambos bordes de la lámina (izquierdo y derecho). Es muy usual que estos bordes cortados sean llevados por un sistema mecánico o neumático hasta un molino al pie de máquina para ser recuperado en un lazo cerrado, reciclándose en el ismo compuesto.
Fuente:
tecnoelenablog.wordpress.com
Dependiendo del espesor del material, el último paso de este
proceso puede ser:
• Embobinado: el material se embobina en rollos,
utilizando para ello
una máquina que se denomina embobinadora.
• Guillotinado (corte): el material es cortado mediante
una guillotina
de movimiento, que se posiciona en el lugar de corte avanzando
al compás de
la lámina y realizando el corte acompañando a la lámina a su
salida. Luego
se realiza el apilado (manual o mediante robots) de los
productos finales,
utilizando a veces separadores para proteger las superficies si
es
necesario.
La película soplada se produce usando una extrusora en combinación con una boquilla de inyección de aire al interior de la película y una torre de enfriamiento para enfriar la burbuja. La matriz de extrusión tiene forma de círculo y se usa presión de aire para expandir aún más la película. Después de expandirse a las dimensiones deseadas, se enfría para solidificar el polímero. Las películas se definen típicamente con un grosor inferior a 0,254 mm (10 milésimas de pulgada), aunque se pueden producir películas sopladas de hasta 0,5 mm (20 milésimas de pulgada). El soplado de película es una técnica de procesamiento importante para producir una película estirada biaxialmente.
Esta técnica utiliza presión de aire para producir un estiramiento en la dirección transversal y una velocidad más alta del rodillo de arrastre para proporcionar un estiramiento en la dirección de la máquina. La masa fundida se enfría y estira simultáneamente tanto en la dirección de la máquina como en la dirección transversal durante un tiempo de proceso relativamente largo (del orden de 1 s o más). La mayor parte del estiramiento se realiza cerca del punto de congelación. El resultado es que la película soplada normalmente tiene una orientación más equilibrada en la dirección de la máquina y transversales, mayor opacidad, menor transparencia y mayores propiedades de barrera.
Este proceso brinda más flexibilidad en el ancho, con menos desperdicio en el recorte y requiere menos inversión de capital inicial.
La película soplada requiere valores K más altos que las películas fundidas ya que la viscosidad extensional es importante para el control del proceso (estabilidad de la burbuja). Los componentes de una línea de film soplado son:
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Fabricar una película de vinilo fundido se parece mucho a hornear un pastel. Los componentes de la “receta” se agregan a un mezclador en un orden predeterminado mientras se mezclan a una velocidad específica y durante un período de tiempo determinado para garantizar una mezcla completa y consistente. Se utilizan resinas de pasta. Esta mezcla líquida, conocida como plastisol u organosol, se dosifica con precisión o se vierte sobre una banda en movimiento conocida como lámina de fusión y luego se funde en su paso a través de una serie de hornos que permiten la evaporación de los solventes y la incorporación de los plastificantes a la matriz fundida. El resultado es una “película” sólida. A continuación, la película se enrolla en rollos de gran diámetro para su posterior recubrimiento adhesivo. La superficie sobre la cual se funde determina la textura de la película.
Debido a que el plastisol u organosol se “moldea” sobre la hoja de fundición en un estado relajado, este material ofrece una muy buena estabilidad dimensional (sin esfuerzos congelados). Este proceso también permite que la película sea muy delgada (la mayoría de las películas fundidas son de 2 mil), lo que ayuda a que el producto se adapte a la superficie que recubre.
Los fabricantes de materiales recomiendan el uso de películas fundidas en sustratos como flotas, vehículos, vehículos recreativos o botes donde el cliente desea un acabado “similar a una pintura” que dure mucho tiempo, generalmente de cinco a 12 años, dependiendo de cómo se procese la película.
Información adicional del recubrimiento
Un comparativo de los procesos ya descritos de fabricación de láminas y películas se presenta a continuación:
| Proceso | Calandro | Soplado | Recubrimiento |
|---|---|---|---|
| PROS |
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| CONTRAS |
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El calandrado es el proceso que permite las mayores velocidades de producción. Hasta 5 m/s con espesores de 250 micras, permite un estricto control de espesores (variaciones menores al 1,5%); la extrusora y calandra permiten la dispersión de materiales diversos, aumentado la latitud de la formulación. Debido a la fortaleza de los rodillos (que les permite manejar altas viscosidades sin excesivo calentamiento por fricción) y el efecto de compresión (kneading) estos equipos pueden trabajar a bajas temperaturas. Los rodillos pueden ser lisos para acabado brillante, o con patrones texturados para mateado. Las películas, al reducir la cristalinidad mediante rápido enfriamiento son más transparentes y menos ruidosas.
El flujo hacia los bordes de la lámina es difícil de controlar, por lo que su espesor en ese punto NO es uniforme. Los bordes de la lámina o película deben ser cortados y reciclados. El control estricto del espesor de la lámina o película requiere estrategias de control con múltiples parámetros. Los esfuerzos residuales limitan la durabilidad del producto final (7-8 años). Con este proceso se producen láminas que se utilizan como materia prima para otros procesos secundarios (termoformado o laminado) y productos como:
El soplado, gracias a la orientación bidireccional de las moléculas, mejora las propiedades mecánicas (tensión, resistencia a punción) y de barrera, permite ajustar fácilmente el ancho de lámina dentro de un rango amplio (cambiando las razones de soplado y halado). El costo inicial de los equipos es menor (aunque aumenta más rápido que el de la calandra a medida que aumenta el ancho de película por encima de 1m). Las películas sopladas presentan mejor adhesión e impresión (debido a su rugosidad superficial). Este proceso no produce residuos de corte en los bordes, como lo hacen los otros 2.
La dificultad de enfriar la burbuja hace que se vuelva inestable a espesores mayores a 250 micras. El enfriamiento lento aumenta cristalinidad y opacidad. La necesidad de controlar la viscosidad extensional para garantizar la estabilidad de la burbuja limita la latitud de formulación. El control de espesores puede llegar a lo sumo al 5%.
Con el proceso de soplado se fabrican:
El proceso de recubrimiento da forma al producto en un estado relajado (líquido libre de esfuerzos, sobre lámina de soporte que resiste el halado), otorgándole una muy buena estabilidad dimensional, reduciendo el daño a pigmentos o abrasión de equipos por pigmentos metalizados y evitando tener que manejar fundidos de alta viscosidad (cuando se usa resina de alto peso molecular). Este proceso también permite que la película sea muy delgada (la mayoría de las películas fundidas son de 2 mil), lo que ayuda a la conformabilidad (permite la aplicación sobre sustratos con remaches, corrugaciones y curvas complejas) del producto y a que sea menos vulnerable a abrasión. Láminas y películas fabricadas por recubrimiento tienen durabilidad de 5 a 12 años. Las películas fundidas también mantienen su color y otras propiedades mejor que otras películas de vinilo. El proceso de fabricación de películas fundidas facilita la ejecución de pequeñas corridas de colores especiales para combinar.
Es relativamente fácil cambiar de color durante la producción, lo que hace posible la coincidencia de colores en lotes pequeños.
Como la energía usada para la fusión se suministra a través de hornos, la eficiencia energética del proceso es baja. Plastisoles y organosoles requieren del uso de plastificantes, lo que limita el proceso para producir artículos rígidos. Las resinas de pasta son en general más costosas que las resinas de suspensión, lo que resulta en formulaciones más caras. En los hornos se pierden los diluyentes y parte del plastificante empleado, aumentando costos y presentando un reto para control de VOC´s.
Mediante el proceso de recubrimiento se fabrican:
Las condiciones de operación del proceso de calandrado que afectan la calidad de la lámina o película son:
La temperatura del material se ve apenas modificada en el proceso por ser la generación viscosa pequeña (<10-20ºC) y baja la conducción de calor. A mayor temperatura del material se obtiene una mejor calidad superficial, menor riesgo de defectos de despegue y una disminución de la viscosidad. La disminución de la viscosidad genera una menor presión sobre la masa y consecuentemente un menor esfuerzo sobre los rodillos, pero puede generar la inclusión de burbujas en la lámina. Una temperatura demasiado elevada puede ocasionar la degradación del material.
La variación de la velocidad de los rodillos permite regular espesor de la lámina sin variar el espaciado entre rodillos, lo que permite un ajuste en línea. A mayor velocidad se obtiene un mayor ritmo de producción, una mayor presión y la consecuente generación viscosa de calor. Un incremento exagerado de la velocidad puede ocasionar posibles problemas de aspereza superficial (ruptura del fundido).
En la siguiente figura se identifican los límites del proceso:
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La homogeneidad del espesor a lo ancho de la lámina se regula mediante dos técnicas en línea y una de diseño. Revisemos primero las técnicas en línea:
Aplicación de momentos flectores en extremos de los cilindros (bending).
Variando el ángulo entre los ejes de los cilindros (crossing: se rompe paralelismo) La medida del espesor a lo ancho de la lámina se realiza mediante un detector de absorción de radiación β (beta), que será proporcional al espesor. El sistema de medida permite ajustar de forma continua el sistema de regulación para obtener un espesor homogéneo. También existen sensores de espesor por rayos x, por rayos γ (gamma) y por láser.
El método de diseño consiste en construir los rodillos con un radio ligeramente mayor en el centro para contrarrestar la tendencia a doblarse.
La eficacia de estas técnicas en una lámina de 1.8m de ancho puede verse a continuación:
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Los aspectos para controlar para reducir variabilidad del espesor en dirección de la máquina son:
Centramiento de los rodillos en su eje de rotación.
Eliminar vibraciones en los rodillos, verificando su correcta sujeción en los soportes.
Control de temperatura (tanto en extrusora como en rodillos) para evitar gradientes que modifiquen viscosidad y flujo del fundido.
Uniformidad en la alimentación: se prefiere alimentador gravimétrico con precisión del 0.5% o mejor.
En el caso de los termoplásticos, el espesor definitivo de la lámina puede ser el obtenido en el calandrado, en cuyo caso el material es soportado por un tren de rodillos que impiden que se deforme o el que se obtiene por un estirado final aún a las temperaturas cercanas a las de calandrado (temperaturas demasiado bajas producirían tensiones residuales). El estirado se realiza en films de hasta 50μm. Las últimas etapas del proceso son el enfriamiento, el recorte de bordes y el bobinado sin estiramiento adicional (empleo de rodillos de par constante).
Bono material complementario:
